原子状酸素ビームを用いた高分子材料表面形状制御法の検討

Morphological control of polymer surface by atomic oxygen beam

後藤 亜紀*; 山下 真一*; 喜多村 茜; 田川 雅人*

Goto, Aki*; Yamashita, Shinichi*; Kitamura, Akane; Tagawa, Masahito*

原子状酸素(Atomic oxygen: AO)は、地球周回低軌道に存在する残留大気の主成分であり、人工衛星などの宇宙機に重大なハザードをもたらす原因の一つである。このAOは、宇宙機周回速度の約8km/s(並進エネルギー約5eV)を相対速度として宇宙用熱制御材料として使用されている高分子材料に衝突し、表面を酸化及び浸食することによって機械特性や熱光学特性を低下させる。このため、AO照射による高分子材料の劣化予測及び防護技術の確立は不可欠である。AO照射装置を用いた先行研究では、AOとの相互作用によって、高分子材料表面にナノ及びマイクロメートルオーダーの針状突起(微視的突起構造)が形成されることが報告されている。我々は、AOが有する高分子材料表面の微視的突起構造形成能に着目した。これまでに、宇宙機設計の観点から、AOと高分子材料表面の相互作用に関して、質量損失、反応生成物(反応初期過程)、機械及び熱光学的変化など「巨視的」または「反応量論的」な理解が報告されている。しかしながら、「微視的」な突起構造の形成メカニズムの詳細は、よく分かっていない。AO照射による微視的突起構造の形成は、材料表面の「浸食劣化」ではあるが、積極的な「表面改質」とも言える。本研究では、AO照射による高分子材料の表面改質技術の開発と応用展開を目的として、AOと高分子材料の相互作用により形成される微視的突起構造の形成メカニズム及び形状制御方法を検討した。微視的形状形成メカニズム及び形状制御方法を明らかにするためには、表面形状を決定づけるAOビームと高分子材料の化学的特性に関するパラメータの抽出が重要である。本研究では、AOビームのフルエンス、化学組成及び構造(側鎖の有無や含有官能基)がもたらす微視的突起構造への影響について、高分子材料の表面観察を通して検討した結果を報告する。

Atomic oxygen (AO) oxidizes and erodes several polymers used as thermal control films for satellites. The AO-irradiated surface is densely covered with microscopic protrusions. In this study, we focus the morphological change as unique modification. PE, PP and PS surfaces are observed by FE-SEM after AO-irradiation, and it is found that the AO fluence and chemical structures of these polymers are important factors for control the density of protrusions.